UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
JÉSSICA LAIS GOMES HIROTA DA SILVA
SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DO COMPLEXO TERNÁRIO
β-CICLODEXTRINA: COLECALCIFEROL:ÍONS METÁLICOS
CURITIBA
2014
JÉSSICA LAIS GOMES HIROTA DA SILVA
SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DO COMPLEXO TERNÁRIO
β-CICLODEXTRINA: COLECALCIFEROL: ÍONS METÁLICOS
Dissertação de Mestrado apresentada como requisito parcial
à obtenção do grau de Mestre. Área de concentração:
Engenharia e Ciência dos Materiais, Programa de PósGraduação em Engenharia e Ciências dos Materiais – PIPE.
Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paraná.
a
a
Orientadora: Prof . Dr . Ana Lucia Ramalho Mercê
CURITIBA
2014
Silva, Jéssica Lais Gomes Hirota da
Síntese e caracterização do complexo ternário β-Ciclodextrina:
colecalciferol: íons metálicos / Jéssica Lais Gomes Hirota da Silva . –
Curitiba, 2014.
77 f. : il.; tabs., grafs.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal do Paraná, Setor de
Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência
dos Materiais - PIPE.
Orientadora: Ana Lucia Ramalho Mercê
Bibliografia: p. 64-70
1. Ciclodextrina. 2. Vitamina D. 3. Ìons metálicos. I. Mercê, Ana
Lucia Ramalho. II. Título.
CDD: 547.78
AGRADECIMENTOS
Agradeço especialmente:
A minha orientadora e amiga, professora Dra. Ana Lucia Ramalho Mercê, sem ela
este trabalho não teria sido realizado.
Ao meu marido, companheiro, amigo, eterno namorado Cristiano Zanlorenzi que
além de ter mudado o rumo da minha vida foi fundamental em todas as etapas deste
trabalho.
À minha família pelo apoio incondicional, especialmente ao meu pai Sérgio e minha
mãe Edilza, ao meu ―paidastro‖ Marcos e minha ―mãedastra‖ Daniela, obrigada por
sempre me incentivar e me apoiar, fundamental na decisão de iniciar um mestrado.
Ao prof. Dr. Miguel Noseda e sua aluna Ester Mazepa, que nos deram a
oportunidade de sua colaboração, para realizar as análises de Ressonância
Magnética Nuclear.
As minhas amigas Ana Cristina Trindade Cursino e Franciele Wolfart, pela grande
ajuda na parte experimental deste trabalho e também pelas conversas e cafés.
Aos professores Dr. Fernando Wypych e Dr. Carlos Yamamoto, pela disponibilidade
de tempo e paciência. Muito obrigada!
Aos meus colegas de laboratório, Thieme e Edgar, que de alguma forma
contribuíram muito na minha vida profissional e pessoal.
Enfim, agradeço a todos que estiveram comigo neste mestrado e também
participaram para que este trabalho fosse concluído.
2
―Nossa maior fraqueza está em desistir. A maneira mais
segura de ter sucesso é sempre tentar mais uma vez.‖
(Thomas Edison)
3
RESUMO
Estruturas
supramoleculares
binárias
ou
ternárias
possuem
diversas
finalidades, mais especificamente na área farmacêutica e da saúde. Quando os
compostos orgânicos, como compostos farmacêuticos, são encapsulados em
ciclodextrinas, eles podem exibir novas propriedades como aumento de solubilidade,
retenção e diminuição de reatividade de produtos tóxicos, fixação de substâncias
voláteis, entre outros. A encapsulação com CDs fornece às vitaminas lipossolúveis
(A, D, E, e K) um meio adequado para preservar suas propriedades durante o
armazenamento, mantendo sua eficiência biológica e limitando sua exposição a
altas temperaturas, luz ou oxigênio. A vitamina D (VD3) é menos ingerida ou
produzida no organismo humano. Sua principal função é regular a homeostase dos
íons Ca(II), Mg(II) e Zn(II), contudo, metais tóxicos como o Cd(II) e Ni(II) em excesso
no organismo podem agir como competidores por sítios em proteínas, interferindo na
ação de vitamina. A pesquisa é focada nas interações entre β-ciclodextrina com
colecalciferol (vitamina D3) e íons metálicos para que, inicialmente, se compreenda
como se dá a formação dos complexos. Para o desenvolvimento do trabalho os
complexos
foram
caracterizados
potenciométrica, RMN
13
por
meio
de
técnicas
como
titulação
1
C e H, difração de raio X de pó (DRX) e espectroscopia na
região do infravermelho por transformada de Fourier (IVTF). Por meio da titulação,
obteve-se um valor de log β = 20,43 para o composto binário de β-ciclodextrina
(BCD) com a vitamina D3 (VD3). Os estudos de DRX apresentaram dois tipos
diferentes de estruturas, a formação de uma estrutura amorfa para o composto
binário de BCD:VD3 e a formação de estrutura gaiola para os complexos binários
(ΒCD:Cd (II) e ΒCD:Ni (II)) e ternários (ΒCD:VD3:Cd (II) e ΒCD:VD3:Ni (II)). Por meio
da técnica de IVTF, pode-se perceber as possíveis interações da BCD com a VD3 e
os íons metálicos. Com os deslocamentos químicos dos átomos de carbono e
hidrogênio calculados por meio da técnica de RMN, foi possível compreender o
ambiente químico desses átomos e elaborar propostas de estruturas para todos os
complexos.
Palavras-chave: β-ciclodextrina, vitamina D3, colecalciferol, compostos de inclusão,
constante de estabilidade, níquel, cádmio.
4
ABSTRACT
Binary and ternary supramolecular structures have different purposes, more
specifically in the pharmaceutical and health area. When organic compounds such as
pharmaceuticals, are encapsulated in cyclodextrins, they can exhibit new properties
such as increased solubility, decreased and reactivity retention of toxic products,
fixation of volatile substances, among others. Encapsulation provides CDs with the
liposoluble vitamins (A, D, E, and K) an adequate to preserve its properties during
storage, maintaining their biological efficiency and limiting their exposure to high
temperatures, light or oxygen. Vitamin D (VD3) is less consumed or produced in the
human body. Its main function is to regulate the homeostasis of Ca(II), Mg(II) and
Zn(II), however, toxic metals such as Cd(II) and Ni(II) in excess in the organism can
act as competitors of sites in proteins, interfering with the action of vitamin. The
research is focused on the interactions between β-cyclodextrin with cholecalciferol
(vitamin D3) and metal to understand how it gives the formation of complex ions. For
the development of the work the complexes were characterized by techniques such
as potentiometric titration, 1H and
13
C NMR, X-ray diffraction powder (XRD) and
infrared spectroscopy Fourier transform (FTIR). Through titration gave a value of log
β = 20.43 to the binary compound of β-cyclodextrin (BCD) and vitamin D3 (VD3). XRD
studies have presented two different types of structures, the formation of an
amorphous structure to a binary compound of BCD: VD3 and the formation of the
cage structure to the binary complexes (ΒCD Cd (II) and ΒCD: Ni (II)) and ternary
(ΒCD: VD3 Cd (II) and ΒCD: VD3: Ni (II)). By FTIR technique, one can see the
possible interactions of the BCD with VD3 and metal ions. With the chemical shifts of
carbon atoms and hydrogen calculated by the NMR technique, it was possible to
understand the chemical environment of these atoms and elaborate structures
proposed for all complexes.
Keywords: β-cyclodextrin, vitamin D3, cholecalciferol, inclusion compounds, stability
constant, nickel, cadmium.
5
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Sistema complexo de inclusão. FONTE: SALIPIRA, 2006. ....................... 15
Figura 2 - estrutura tridimensional de (a) α-CD, (b) β-CD e (c) γ-CD mostrando as
suas dimensões aproximadas. Fonte: VENTURINI, 2008. ....................................... 16
Figura 3 - Numeração dos átomos de carbono e hidrogênio da ΒCD. Fonte:
modificado pelo autor . .............................................................................................. 17
Figura 4 - Esquema da formação da VD3. ................................................................. 20
Figura 5 - Esquema da titulação................................................................................ 23
Figura 6 - Curva de titulação experimental da BCD livre e do composto binário
ΒCD:VD3 (BCDVITH). ............................................................................................... 36
Figura 7 - Distribuição das espécies para a ΒCD em função do pH e da % de
formação. .................................................................................................................. 37
Figura 8 - Distribuição das espécies para o composto binário ΒCD:VD 3 (BCDVIT) e
da % de formação. .................................................................................................... 37
Figura 9 - Curva experimental (losangos) e curva do modelo teórico (linha contínua)
para a ΒCD................................................................................................................ 38
Figura 10 - Curva experimental (losangos) e curva do modelo teórico (linha contínua)
para o composto binário ΒCD:VD3. ........................................................................... 39
Figura 11 - Difratograma da ΒCD pura, MF e ΒCD:VD3 ............................................ 40
Figura 12 – Difratograma da ΒCD e dos complexos binários e ternários de Cd(II) nas
proporções 5:1 e 10:1. .............................................................................................. 42
Figura 13 - Difratograma da ΒCD e dos complexos binários e ternários de Ni (II) nas
proporções 5:1 e 10:1. .............................................................................................. 43
Figura 14 - Espectro teórico de IVTF da ΒCD e VD3 ................................................. 44
Figura 15 - Espectro de IVTF da ΒCD e do composto binário ΒCD:VD3 ................... 46
Figura 16 - Espectro (i) de IVTF dos complexos de Cd (II) ....................................... 48
Figura 17 - Espectro (ii) de IVTF dos complexos de Cd (II) ...................................... 48
Figura 18 – Espectro (i) de IVTF dos complexos de Ni (II) ........................................ 49
Figura 19 - Espectro (II) de IVTF dos complexos de Ni (II) ....................................... 49
Figura 20 – Espectro de RMN de 13C: (a) BCD; (b) MF; (c) BCD:VD3; (d) VD3 . ...... 50
Figura 21- Espectro de RMN de 13C da ΒCD e ΒCD:VD3 em ppm. .......................... 52
Figura 22 – Espectro de RMN 1H da BCD livre. Fonte: SCHNEIDER (1998)............ 52
Figura 23 – Espectro de RMN 1H da vitamina D3 livre. Fonte: WISHART, 2013 88. . 53
6
Figura 24 - Espectro de RMN 1H da MF (acima) e BCD:VD3 (abaixo). ..................... 54
Figura 25 - Proposta de estrutura do composto binário BCD:VD3............................. 55
Figura 26 - Espectro de RMN 1H do complexo BCD:Cd na proporção 10:1 (acima) e
da proporção 5:1 (abaixo). ........................................................................................ 56
Figura 27 - Espectro de RMN 1H do complexo BCD:Ni na proporção 5:1 (acima) e da
proporção 10:1 (abaixo). ........................................................................................... 58
Figura 28 - Proposta de estrutura dos complexos binários BCD:Cd (II) e BCD:Ni (II).
.................................................................................................................................. 58
Figura 29 - Espectros de RMN 1H dos complexos ternário com cádmio, na proporção
10:1:1 (acima) e proporção 5:1:1 (meio) com a BCD:VD3 (abaixo) ........................... 60
Figura 30 - Espectros de RMN 1H dos complexos ternário com níquel, na proporção
5:1:1 (acima) e proporção 10:1:1 (meio) com a BCD:VD3 (abaixo) .......................... 61
Figura 31 - Proposta de estrutura dos complexos ternários. ..................................... 62
7
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Características das CDs naturais. ............................................................. 17
Tabela 2 - Complexo Fármaco:ΒCD comerciais.,, ..................................................... 18
Tabela 3 – Proporções utilizadas no trabalho ........................................................... 31
Tabela 4: Estruturas binárias e ternárias de ΒCD com VD 3 e íon metálico (Cd(II) e
Ni(II)) nas proporções 5:1 e 10:1 ............................................................................... 32
Tabela 5: Logaritmos das constantes de protonação da ΒCD e da ΒCD:VD 3........... 35
Tabela 6 - Bandas características das CDs no espectro de IVTF. ............................ 45
Tabela 7: Relação dos deslocamentos químicos dos átomos de C da BCD e
BCD:VD3 em ppm. .................................................................................................... 51
Tabela 8: Relação dos deslocamentos químicos dos átomos de H da BCD e
BCD:VD3 em ppm ...................................................................................................... 53
Tabela 9: Relação dos deslocamentos químicos dos átomos de C e H da ΒCD,
ΒCD:Cd(II) e BCD:Ni(II)............................................................................................. 57
Tabela 10: Relação dos deslocamentos químicos dos átomos de C e H dos
complexos ternários com Cd(II) e Ni(II). .................................................................... 59
Tabela 11 - Relação das variações dos deslocamentos químicos entre os compostos
ternários e binários. ................................................................................................... 60
8
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
Δδ
Variação do deslocamento químico
δ
Deslocamento químico ou deformação da molécula
δL
Deslocamento químico da molécula livre
δC
Deslocamento químico da molécula complexada
ν
Estiramento
CD/CDs
Ciclodextrina/ Ciclodextrinas.
DRX
Difratometria de raios-X
H
Representação para o próton H+.
IARC
International Agency for Research on Cancer.
IVTF
Espectroscopia na região do infravermelho por transformada de
Fourier.
LEQ
Laboratório de Equilíbrio Químico.
Log K
Logaritmo da constante de estabilidade passo a passo.
Log β
Logaritmo da constante de estabilidade global dos complexos ou
constantes de protonação dos ligantes.
M
Íon metálico.
LM
Espécie ligante-metal.
UV-Vis
Espectroscopia na região do ultravioleta-visível.
Vit
Vitamina
VD3
Vitamina D3 ou Colecalciferol.
RMN 13C
Ressonância magnética nuclear de carbono.
RMN 1H
Ressonância magnética nuclear de hidrogênio.
ΒCD
β–ciclodextrina.
ΒCD:Cd(II)
Composto binário de β-ciclodextrina com cádmio.
ΒCD:Ni(II)
Composto binário de β-ciclodextrina com níquel.
ΒCD:VD3
Composto binário de β-ciclodextrina com vitamina D3.
ΒCD:VD3:Cd(II)
Composto ternário de β-ciclodextrina e vitamina D3 com cádmio.
ΒCD:VD3:Ni(II)
Composto ternário de β-ciclodextrina e vitamina D3 com níquel.
BCD:VD3:M (II)
Composto ternário de β-ciclodextrina e vitamina D3 com um íon
metálico.
9
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO .................................................................................................... 12
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................... 14
2.1
QUÍMICA
SUPRAMOLECULAR
E
O
FENÔMENO
DA
INCLUSÃO
MOLECULAR ......................................................................................................... 14
2.2
CICLODEXTRINAS ...................................................................................... 15
2.2.1
Histórico e estrutura das ciclodextrinas. ................................................ 15
2.3
VITAMINA D3 - COLECALCIFEROL ............................................................ 18
2.4
ÍONS METALICOS: Cd(II) E Ni(II) ................................................................ 20
2.5
CARACTERIZAÇÃO DOS COMPOSTOS DE INCLUSÃO .......................... 22
2.5.1
Titulação potenciométrica ...................................................................... 22
2.5.2
Difratometria de raio-X (DRX) ................................................................ 26
2.5.3
Espectroscopia na região do infravermelho por transformada de Fourier
(IVTF).................................................................................................................. 26
2.5.4
Ressonância magnética nuclear de carbono e hidrogênio (RMN
13
C e
1
H)....................................................................................................................... 27
3
4
5
OBJETIVOS........................................................................................................ 29
3.1
OBJETIVO GERAL ...................................................................................... 29
3.2
OBJETIVO ESPECÍFICO ............................................................................. 29
MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................. 30
4.1
MATERIAIS .................................................................................................. 30
4.2
METODOLOGIA .......................................................................................... 30
4.2.1
Síntese dos compostos de inclusão ...................................................... 30
4.2.2
Caracterização dos complexos de inclusão ........................................... 32
RESULTADOS E DISCUSSÃO .......................................................................... 35
5.1
TITULAÇÃO POTENCIOMÉTRICA ............................................................. 35
10
5.1.1
Constantes de protonação ..................................................................... 35
5.1.2
Curva experimental e curva da simulação do modelo teórico ............... 38
5.2
DIFRATOMETRIA DE RAIO-X (DRX) .......................................................... 39
5.2.1
Difratograma de raios-X do composto binário ΒCD:VD3 ........................ 39
5.2.2
Difratograma de raios-X dos complexos binários e ternários do cádmio e
níquel..... ............................................................................................................. 41
5.3
ESPECTROSCOPIA NA REGIÃO DO INFRAVERMELHO ......................... 44
5.3.1
Espectros de IVTF do composto binário ΒCD:VD3 ................................ 44
5.3.2
Espectros de IVTF dos complexos binários e ternários do cádmio e
níquel.... .............................................................................................................. 47
5.4
RESSONÂNCIA
MAGNÉTICA
NUCLEAR
DE
CARBONO
E
DE
HIDROGÊNIO (RMN 13C E RMN 1H) ..................................................................... 50
5.4.1
Caracterização por RMN de 13C e 1H do composto binário BCD:VD3. .. 50
5.4.2
Caracterização por RMN de 13C e 1H dos complexos binários BCD:Cd(II)
e BCD:Ni(II) ........................................................................................................ 56
5.4.3
Caracterização por RMN de
13
C e
1
H dos compostos ternários
ΒCD:VD3:Cd(II) e ΒCD:VD3:Ni(II) ....................................................................... 59
6
CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................ 63
7
REFERÊNCIAS .................................................................................................. 64
8
APÊNDICE..........................................................................................................71
9
ANEXO................................................................................................................74
12
1
INTRODUÇÃO
A procura por novos excipientes e tecnologias, tem levado a indústria
farmacêutica e a comunidade científica à pesquisa por novas formulações que
resultem em compostos mais estáveis que melhorem os tratamentos. Neste
contexto, as ciclodextrinas na forma de complexos de inclusão têm sido um dos
principais compostos empregados dentro da área farmacêutica nestes últimos anos1.
A principal característica das ciclodextrinas é a sua estrutura espacial com
formato de cone, que devido ao grande número de hidroxilas, leva a um caráter
hidrofílico em sua parte externa e hidrofóbico na cavidade interna. Tal propriedade
permite a formação de complexos de inclusão com inúmeras moléculas, e aliada à
sua
baixa
toxicidade,
possibilita
a
formulação
de
fármacos
com
maior
biodisponibilidade de princípios ativos insolúveis. O resultado disso impacta
fortemente na indústria farmacêutica, uma vez que se pode traduzir como redução
do custo de fármacos, passando a envolver uma quantidade menor de princípio ativo
em função da maior eficiência de ação das drogas. Isso representa também melhora
na qualidade de vida dos usuários de alguns desses medicamentos, através de
tratamentos menos agressivos2 e com novas possibilidades de aplicação na terapia
gênica ou no combate ao vírus HIV 3,4.
Diversas aplicações em termos de modificações das características físicoquímicas intrínsecas das moléculas ―hóspedes‖ podem ser encontradas na literatura
no que se refere à solubilidade5, estabilidade6, biodisponibilidade7, proteção contra a
oxidação, redução, racemização, isomerização, polimerização, hidrólise e/ou
decomposição do princípio ativo, assim como conversão de substâncias líquidas em
microcristalinas, redução das irritações gastrointestinais ou oculares e outros efeitos
secundários, além da prevenção a uma decomposição enzimática [8-27].
A encapsulação com as ciclodextrinas (CDs) fornece às vitaminas lipossolúveis
(A, D, E, e K) um meio adequado para preservar suas propriedades durante o
armazenamento, mantendo sua eficiência biológica e limitando sua exposição a
altas temperaturas, luz ou oxigênio. A sua utilização (oral, sistêmica, tópica,
transdérmica e local) requer diferentes tamanhos de partículas e perfis de liberação,
e a encapsulação dessas vitaminas pode levar a uma maior eficiência, permitindo
doses menores, para assim, diminuir potencialmente o aparecimento da síndrome
de hipervitaminose e efeitos colaterais. Por possuírem baixa solubilidade em água e
13
em meios biológicos, alguns estudos correlacionam as vitaminas com a
ciclodextrina9,10, objetivando a síntese de compostos binários. Contudo, existem
poucos estudos dessa área usando a vitamina D (em especial a D 3) como hóspede
em um composto de inclusão.
Entre as vitaminas citadas, a vitamina D (VD3) é menos ingerida ou produzida no
organismo humano. Sua carência leva a uma redução da absorção intestinal do
cálcio, gerando hipocalcemia, podendo desenvolver o raquitismo e aumentar o risco
de osteoporose. Pelo fato das suas manifestações clínicas surgirem apenas em fase
tardia, a carência da vitamina D é um problema existente, entretanto é pouco
identificado.
Pesquisas relacionadas à inclusão de complexos de VD3 não levam em conta
uma terceira espécie como íon metálico
11
. Há na literatura trabalhos que
contemplam a inclusão de metais derivados em CD, porém sem qualquer molécula
orgânica 12,13,14,15.
Os metais pesados são elementos químicos altamente reativos e bioacumulativos, ou seja, acumulam-se com o tempo no organismo que é incapaz de
eliminá-los. Muitos metais são essenciais para o crescimento de todos os tipos de
organismos, desde as bactérias até mesmo o ser humano, mas eles são requeridos
em baixas concentrações caso contrários, podem prejudicar sistemas biológicos16.
Os metais selecionados para o estudo foram o cádmio (metal tóxico) e o níquel
(metal essencial, mas tóxico dependendo da quantidade) pelo fato deles fazerem
parte da homeostase (condição de relativa estabilidade da qual o organismo
necessita para realizar suas funções adequadamente para o equilíbrio do corpo) do
cálcio, zinco e magnésio, agindo como competidores por sítios de ligações de
proteínas e também interferindo na ação de vitamina, causando efeitos a médio e
longo prazo no organismo.
O presente trabalho, portanto, vem contribuir com o estudo dos compostos de
inclusão de Vitamina D3 (Colecalciferol) e íons metálicos (cádmio e níquel) em
ciclodextrinas, sendo caracterizados pelas técnicas de ressonância magnética
nuclear de carbono e hidrogênio (RMN de
13
C e 1H), difratometria de raios-X (DRX),
titulação potenciométrica e espectroscopia na região do infravermelho por
transformada de Fourier (IVTF).
14
2
2.1
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
QUÍMICA
SUPRAMOLECULAR
E
O
FENÔMENO
DA
INCLUSÃO
MOLECULAR
A química supramolecular foi definida por um dos seus principais
impulsionadores, Jean-Marie Lehn, como a ―química das associações moleculares e
das ligações intermoleculares‖
17
, e visa o desenvolvimento de procedimentos
adequados para a preparação de moléculas mais sofisticadas a partir de átomos
ligados covalentemente. Seu principal objetivo é, portanto, o desenvolvimento de
sistemas químicos de elevada complexidade a partir de componentes que interagem
através de forças intermoleculares18, podendo ser do tipo eletrostáticas, ligações de
hidrogênio ou interações de van der Waals. Apesar da fraca intensidade destas
forças, o fato de se estabelecer um elevado número de interações num mesmo
sistema pode originar uma alteração drástica das propriedades dos constituintes da
associação molecular 19.
A ciência em geral e a química em particular constituem matéria de grande
complexidade. Neste contexto, a química supramolecular, tal qual ela é definida,
cobre uma gama muito extensa e uma elevada diversidade de sistemas
moleculares. Dentre os vários sistemas incluídos neste domínio, destacam-se os
sistemas hóspede-hospedeiro, uma vez que este trabalho é baseado em compostos
baseados nesta formulação.
Diversos compostos podem formar sistemas supramoleculares através de
processos de inclusão molecular
20,21
. A molécula a ser incluída, chamada
comumente de hóspede, deve possuir um volume adequado, bem como a molécula
que irá "hospedar" que por sua vez, também precisa possuir uma estrutura
molecular adequada para formar os denominados complexos de inclusão ou
compostos de inclusão 22,23, como ilustrado na Figura 1.
15
Figura 1 - Sistema complexo de inclusão. FONTE: SALIPIRA, 2006.
24
As CDs representam uma vasta família de compostos de origem natural com
propriedades únicas para a formação de compostos de inclusão. São capazes de
formar estruturas supramoleculares binárias ou ternárias que possuem diversas
finalidades, mais especificamente na área farmacêutica e da saúde. Quando os
compostos orgânicos, como compostos farmacêuticos, são encapsulados em
ciclodextrinas, eles podem exibir novas propriedades como aumento de solubilidade
25
, retenção e diminuição de reatividade de produtos tóxicos, fixação de substâncias
voláteis, entre outros 26,27,28.
2.2
CICLODEXTRINAS
2.2.1 Histórico e estrutura das ciclodextrinas.
As ciclodextrinas foram descobertas por Viliers
degradação de derivados de amido. Schardinger
30
29
em 1891, como produtos de
em 1903 foi o responsável pela
primeira descrição detalhada da preparação e isolamento destes oligossacarídeos
cíclicos. Algumas décadas depois, a estrutura química das ciclodextrinas e sua
capacidade de formar compostos de inclusão foram reportadas por Freudenberg et
al
31
em 1940. Ainda nessa época, um grupo liderado por French32 pesquisou
processos de obtenção de ciclodextrina pura. Nas décadas seguintes, Cramer e
seus colaboradores estudaram sistematicamente a formação de seus complexos de
inclusão e outras propriedades da ciclodextrina, como a sua ação catalítica e
aplicabilidade na modelagem da ação enzimática 33,34.
No final de 1960, eram conhecidos os métodos de produção de CDs em
escala laboratorial, bem como as principais características estruturais, propriedades
físico-químicas e a capacidade para formarem compostos de inclusão. Já nessa
altura, as CDs eram vistas como moléculas muito promissoras, particularmente para
16
aplicações no ramo industrial. Em 1970, após estudos toxicológicos, concluiu-se que
as CDs não apresentaram um nível de toxicidade que impedisse a sua utilização em
produtos para consumo humano.
As CDs são oligossacarídeos cíclicos, compostas por unidades de Dglicopiranose unidas por ligações glicosídicas do tipo α-1,4, sendo por isso, também
conhecidas como cicloamilases.35 Estas estruturas são obtidas a partir da
degradação enzimática do amido por ação da glicosil-transferase de origem
bacteriana. Uma consequência estrutural dessas ligações glicosídicas α (1-4) é a
formação de uma molécula num formato semicircular tipo cone truncado (Figura 2),
garantindo a ela uma cavidade com dimensões que dependem do número de
unidades glucose, com grupos hidroxil em suas unidades de α-glucose. Os
chamados grupos hidroxilas primários (grupos hidroximetila: – CH2OH) situam-se na
abertura mais estreita deste cone, enquanto os grupos hidroxilas secundários
situam-se na abertura mais larga. Uma característica importante destes grupos
hidroxilas e seu caráter hidrofílico é promover a solubilização das CDs em meio
aquoso. As CDs obtidas com maior rendimento são comumente conhecidas como
CDs naturais e contém seis, sete ou oito unidades de glicose, sendo denominadas
de
α-ciclodextrina
(aCD),
β-ciclodextrina
(ΒCD)
e
γ-ciclodextrina
(γCD),
4
respectivamente .
Figura 2 - estrutura tridimensional de (a) α-CD, (b) β-CD e (c) γ-CD mostrando as suas dimensões
36
aproximadas. Fonte: VENTURINI, 2008.
17
Todas as unidades de glicose das CDs se apresentam na conformação de
cadeira o que resulta em posições muito específicas para o grupo hidroxila. Como
pode ser observado na Figura 3, as hidroxilas secundárias, (ligados aos átomos de
carbono 2 (C2) e carbono 3 (C3), estão viradas para o exterior da CD e as hidroxilas
primárias (átomo de carbono 6 (C6)) estão viradas para o interior da cavidade 37.
H4
OH
C4
HO
H6 C6
O
C5
H2
H5
C2
C3
H1
OH
H3
C1
O
n=7
Figura 3 - Numeração dos átomos de carbono e hidrogênio da ΒCD. Fonte: modificado pelo autor
Tabela 1: Características das CDs naturais.
38
.
39
Número de unidades de glicose
aCD
6
BCD
7
γCD
8
Massa molecular (g/mol)
973
1135
1297
Diâmetro interno da cavidade (nm)
0,45-0,57
0,62-0,78
0,79-0,95
Diâmetro externo da cavidade (nm)
1,37
1,53
1,69
Altura da cavidade (nm)
Volume da cavidade (mL/moL)
7,9
174
7,9
262
7,9
472
Solubilidade em água (25 ºC) g/100 mL
14,5
1,85
23,2
pKa (25 ºC)
12,33
12,2
12,08
O alinhamento dos grupos hidroxila torna a CD mais ou menos solúvel em
água. Como pode ser visto na Tabela 1, na ΒCD, cada hidroxila secundária está
envolvida numa ligação de hidrogênio com a hidroxila seguinte, havendo menos
disponibilidade para formar pontes de hidrogênio com a própria água, portanto, esta
é a menos solúvel das CDs. Comparado com as outras CDs, a ΒCD apresenta maior
rigidez, facilidade para obtenção de cristais e também maior abundância no
mercado. Na área farmacêutica, este excipiente funcional tem sido explorado
18
principalmente no incremento da biodisponibilidade
20
, solubilidade
1,6
, estabilidade
de medicamentos e na redução de seus efeitos colaterais. Alguns fármacos com
solubilidades aquosas bastante reduzidas demonstram maior capacidade de
melhora da solubilidade, por exemplo, o taxol, apresenta um incremento na sua
solubilidade aquosa de até 100.000 vezes quando encapsulados com derivados
metilados de ΒCD 1.Também se pode destacar sua utilização para mascarar odores
e sabores desagradáveis de certos fármacos, para reduzir ou eliminar irritações
oculares ou gastrointestinais, na prevenção de interações e incompatibilidades e na
conversão de fármacos líquidos em produtos sólidos.
Essas características aliada ao fato de ser a CD mais usada para inclusão de
fármacos (alguns exemplos são apresentados na Tabela 2), fez da ΒCD a
hospedeira utilizada neste trabalho.
1,40,81
Tabela 2 - Complexo Fármaco:ΒCD comerciais.
Complexo
PGE2/ ΒCD
Piroxicam/ ΒCD
Iodo/ ΒCD
Dexametasona,
Glyteer/ ΒCD
Cloranfenicol/
ΒCD metilada
Piroxicam/ ΒCD
Nome
Comercial
Prostarmon E
Indicação
Administração
Inibidor de parto
Cicladol/
Brexin
Mena-Gargle
Glymesason
Antiinflamatório/Analgésico
Infecção na garganta
Antiinflamatório/Analgésico
Antibiótico
Clorocil
Nicotina/ ΒCD
Nicorette
Antiinflamatório/Analgésico
Dependência em Nicotina
Omeprazol/ ΒCD
Omebeta
Antiulceroso
2.3
Flogene
Companhia/País
Cápsula
sublingual
Tablete ou
sache
Gargarejo
Pomada
Ono (Japão)
Colírio
Oftalder (Portugal)
Líquido
Aché (Brasil)
Tablete
sublingual
Tablete
Pharmacia Upjohn
(Suécia)
Betapharm
(Alemanha)
Masterpharma/Chi
esi (Itália)
Kyushin (Japão)
Fujinaga (Japão)
VITAMINA D3 - COLECALCIFEROL
Vitaminas são compostos orgânicos, que não podem ser sintetizados pelo
organismo e são encontradas em pequenas quantidades na maioria dos alimentos.
São substâncias extremamente frágeis, perdem sua ação biológica na presença de
calor, ácidos, luz e certos metais. Suas principais propriedades envolvem dois
mecanismos
importantes:
o
de
coenzima
(substância
necessária
para
o
19
funcionamento de certas enzimas que catalisam reações no organismo) e o de
antioxidante (substâncias que neutralizam radicais livres)
41
.
A vitamina D é um hormônio esteroidal, que interage com ossos, glândulas
paratireóides, rins e intestinos, cuja principal função consiste na regulação da
homeostase do cálcio, formação e reabsorção óssea. Devido ao papel dessa
vitamina no metabolismo do cálcio, ela tem sido utilizada na prevenção e tratamento
da osteoporose e osteomalácia 16.
É possível adquirir tal vitamina por meio da alimentação, sendo que o
ergocalciferol (vitamina D2) a partir de fontes vegetais, e, o colecalciferol (ou VD3) a
partir de fontes animais como peixes, óleos de peixe e gema de ovo. Portanto, é
importante possuir uma alimentação balanceada a fim de adquirir as quantidades
necessárias diárias dessas vitaminas que é de 400 a 600 IU (10 a 15µg) por dia,
dependendo da faixa etária 42.
Além do seu papel na homeostase do cálcio, vários estudos relatam que a
forma ativa da vitamina D apresenta atividade biológica e efeitos mais complexos em
relação ao organismo, que contribuem para prevenção, tratamento e aumento da
imunidade contra algumas doenças, principalmente as autoimunes
43
. A sua
carência, por outro lado, gera doenças como o raquitismo e a osteoporose. Contudo,
evidências recentes correlacionam níveis insuficientes de VD3 com um risco
aumentado de desenvolvimento de outras patologias não ósseas: doenças
cardiovasculares, hipertensão, neoplasias, diabetes, esclerose múltipla, demência,
artrite reumatóide, doenças infecciosas 42.
Como demonstrado na Figura 4 a formação da VD3 no organismo ocorre
através da exposição à luz utravioleta (UV) ou luz solar sobre o 7-deidrocolesterol
(que resulta do colesterol) presente na pele, gerando a pró-VD3 que, por abertura do
anel B na ligação C9-C10 e ao sofrer uma isomerização, origina a VD3. A VD3 não é
biologicamente ativa, mas enzimas do fígado e dos rins convertem-na em 1,25diidroxicolecalciferol, hormônio que regula a absorção do cálcio no intestino e o seu
nível nos rins e ossos44.
20
Figura 4 - Esquema da formação da VD3.
2.4
ÍONS METALICOS: Cd(II) E Ni(II)
Os metais desempenham funções importantes no metabolismo dos seres vivos.
Suas propriedades demonstram-se fundamentais na manutenção da estrutura
tridimensional de biomoléculas essenciais ao metabolismo celular. No entanto,
enquanto alguns metais são necessários em quantidades mínimas para os seres
vivos, outros não apresentam função biológica relevante, podendo causar danos ao
metabolismo 45.
A toxicologia é a ciência que estuda os efeitos nocivos das interações das
substâncias com os seres vivos
46
. Com o estudo da toxicologia, constatou-se que
cada metal pode vir a apresentar um efeito toxicológico específico sobre
determinado ser vivo. Além disso, outros fatores, como biodisponibilidade e espécie
química, influenciam na toxidade de um elemento químico
45
.
Os efeitos tóxicos dos metais sempre foram considerados como eventos de
curto prazo, agudos e evidentes, como anúria e diarréia sanguinolenta, decorrentes
da ingestão de mercúrio. Geralmente esses efeitos são difíceis de serem
distinguidos e perdem em especificidade, pois podem ser provocados por outras
substâncias tóxicas ou por interações entre esses agentes químicos. A manifestação
dos efeitos tóxicos está associada à dose e pode distribuir-se por todo o organismo,
21
afetando vários órgãos, alterando os processos bioquímicos, organelas e
membranas celulares47.
O cádmio é um metal pesado que não possui função biológica sendo altamente
tóxico a plantas e animais, é um elemento de vida biológica longa (10 a 30 anos) e
de lenta excreção pelo organismo humano. Industrialmente é utilizado em
galvanoplastia, fabricação de ligas, baterias de Ni-Cd, tubos de TV, pigmentos,
esmaltes e tinturas têxteis, fotografia, lasers, entre outros. Na agricultura, a fonte de
contaminação são os fertilizantes fosfatados, os quais interferem no pH do solo,
aumentando sua disponibilidade
48
e, consequentemente, a concentração do metal
nos produtos agrícolas. A toxicidade deste metal pode ser resultado da sua
habilidade de formar complexos, gerando um aumento do processo oxidativo, além
de competir com zinco por sítios de ligação em proteínas e se liga de forma
inespecífica ao DNA, causando quebras simples de cadeia
49
.
De acordo com a Agência Internacional de Pesquisa em Câncer (IARC), o
cádmio e seus compostos são considerados cancerígenos para o ser humano
(Grupo 1), com base em evidências de tumores pulmonares em trabalhadores e
animais expostos por via aérea 50.
O níquel, por outro lado, tem funções biológicas no organismo e sua deficiência
leva a alterações, por exemplo, no desenvolvimento do fígado, no crescimento, no
comportamento/humor das pessoas, à redução da absorção de Ferro a nível
intestinal como de outros minerais, como zinco e o cobre, além de alterar o
metabolismo dos aminoácidos e dos carboidratos. Está, igualmente, envolvido na
fixação do CO2 ao propionil-CoA para formar D-metilmamalonil-CoA. Todos estes
fatos revelam que o Ni(II) é importante para o bom funcionamento do organismo,
contudo, continua não haver muita informação sobre os verdadeiros efeitos
benéficos deste, quer no homem como em outros organismos.
Esse metal também é um agente sensibilizante causando dermatites de contato
nas pessoas mais sensíveis, podem ser carcinogênicos em concentrações muito
altas e também podem surgir problemas de fertilidade e no desenvolvimento do feto
(más formações a nível ocular, quistos pulmonares, hidronefroses e deformações
nos ossos). A exposição iatrogênica desse metal resulta de implantes e próteses
feitos a partir de ligas com níquel, de fluidos intravenosos ou de diálise (100μg por
tratamento) e das radiografias de contraste 51.
22
A Agência Internacional de Pesquisa em Câncer (IARC) classifica o níquel
metálico e ligas como possíveis cancerígenos para o ser humano (Grupo 2B) e os
compostos de níquel como cancerígenos (Grupo 1) 52.
2.5
CARACTERIZAÇÃO DOS COMPOSTOS DE INCLUSÃO
Para avaliar a formação de complexos de inclusão com as ciclodextrinas
utilizou-se um conjunto de técnicas que evidenciam esta complexação tanto em
meio liquido como no estado sólido. As técnicas utilizadas foram a análise térmica,
espectroscopia no infravermelho, difração de raios-X, ressonância magnética
nuclear de 13C e titulação potenciométrica.
2.5.1 Titulação potenciométrica
A técnica de titulação é geralmente acompanhada de bruscas variações de
concentração das substâncias iônicas envolvidas, que ocorrem em torno do ponto
de equivalência. Neste sentido, a técnica de titulação potenciométrica consiste em
seguir a variação da concentração de certa espécie iônica com o auxílio de um
eletrodo indicador adequado, enquanto é adicionada uma solução titulante, sendo o
ponto final acusado pela variação brusca de potencial da célula galvânica na qual o
eletrodo está submerso. Dessa maneira, o equipamento necessário para a
realização da titulação potenciométrica é formado por um eletrodo indicador e um
eletrodo de referência, submerso em uma solução apropriada. Não requer medidas
absolutas de força eletromotriz (f.e.m.), bastando uma medida relativa no curso da
titulação, sendo necessário apenas que o potencial do eletrodo de referência se
mantenha constante, possibilitando uma considerável simplificação do equipamento
necessário à titulação (Figura 5).
23
Figura 5 - Esquema da titulação
Por ser bastante sensível, essa técnica pode ser facilmente utilizada em
soluções relativamente diluídas. No caso de soluções coradas ou turvas, que
geralmente impossibilitam o uso da técnica visual, a potenciometria não apresenta
maiores dificuldades. Também pode ser usada em reações sem indicadores
apropriados, bem como para determinar sucessivamente vários componentes e em
meios não aquosos, dependendo dos eletrodos utilizados, além de ser facilmente
adaptável a instrumentos automáticos 55.
A titulação potenciométrica é uma importante ferramenta para estudar soluções
de bases de Lewis, ligantes potenciais (dentre eles alguns polissacarídeos, pois
permite a obtenção das constantes de protonação dos ligantes), ácidos de Lewis
(íons metálicos), e a partir destes e de outros dados, é possível determinar as
constantes de formação dos complexos ligante-metal e a distribuição das espécies
em função de diferentes valores de pH utilizando-se programas de computador
adequados.
Os
resultados
obtidos
das
titulações
potenciométricas
podem
ser
representados graficamente, no qual se relacionam a variação de pH com o número
de milimoles de KOH dividido pelo número de milimoles do ligante que é
representado pela letra a.
𝑎=
𝑚𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐾𝑂𝐻 𝑎𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜
𝑚𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑖𝑔𝑎𝑛𝑡𝑒
(1)
24
No presente trabalho foi utilizada a titulação potenciométrica de neutralização,
caracterizada pela adição de base a uma solução ácida. Devido à necessidade de
adição de ácido forte antes do início de todas as titulações, a quantidade de KOH
consumida pelo ácido forte deve ser subtraída do total de base utilizada, nas curvas
a região a<0 representa o consumo do ácido inorgânico pela base. A obtenção
desses parâmetros auxilia a verificação da ocorrência e a estabilidade dos
complexos sintetizados neste estudo, na qual a titulação é realizada acompanhando
a variação do pH com adição do hóspede a uma solução de BCD, ou, com adição de
acido ou base a uma solução contendo o complexo ciclodextrina-vitamina.
O parâmetro para caracterizar os complexos metálicos é a constante de
estabilidade. A coleta de dados para o cálculo das constantes de estabilidade pode
ser realizada por titulação potenciométrica 53 e também por espectroscopia UV- Vis e
RMN 54.
2.5.1.1 Constante de estabilidade global
A constante de estabilidade global é representada pelo símbolo β, denominada
como a constante de equilíbrio para a formação de complexos a partir dos
reagentes, podendo ser expressa como um produto das constantes passo a passo
(k). Cada constante de estabilidade pode ser definida por uma equação de equilíbrio,
conforme equações a seguir 55:
𝑀 + 𝐿 ⇄ 𝑀𝐿
𝑘1 =
[𝑀𝐿]
𝑀 [𝐿]
(2)
𝑀𝐿 + 𝐿 ⇄ 𝑀𝐿2
𝑘2 =
𝑀𝐿2
𝑀𝐿 [𝐿]
(3)
𝑀 + 2𝐿 ⇄ 𝑀𝐿2
𝛽2 = 𝑘1 . 𝑘2 (4)
𝑙𝑜𝑔 𝛽2 = 𝑙𝑜𝑔𝑘1 + 𝑙𝑜𝑔𝑘2
(5)
25
Essa constante k é a medida da estabilidade termodinâmica dos complexos e
a relação dos parâmetros termodinâmicos e k pode ser expressa pelas equações (5)
e (6) que se relacionam pela equação (7) 54.
𝛥𝐺 = −𝑅𝑇 𝑙𝑛𝑘 (6)
𝛥𝐺 = 𝛥𝐻 − 𝑇𝛥𝑆 (7)
ln 𝑘 = −
𝛥𝐻 1 𝛥𝑆
. +
𝑅 𝑇 𝑅
(8)
As constantes de estabilidade são importantes para compreender o equilíbrio
em solução e fundamentais para o trabalho em química industrial, estudos
ambientais, química medicinal, analítica e oceanografia 56.
As medições potenciométricas são muito usadas para entender os
complexos de inclusão de produtos farmacêuticos inclusos em CDs57,58,59,60.
Diversos trabalhos que utilizam a titulação potenciométrica como caracterização de
compostos supramoleculares como a ΒCD61, phenothiazina62 e galactana
53
. Para a
VD3, as constantes de estabilidade dos compostos formados entre a VD3 e Mn (II),
Fe (II), Fe (III) e Zn (II) foram publicadas por MERCE et al.
64
e apresentaram a
seguinte ordem de estabilidade para a espécie ligante-metal (LM): Fe (III)>Fe (II)
≥Zn (II)>Mn (II). Outras constantes de VD3 com Al (III), Cd (II), Gd (III) e Pb (II)
também foram publicadas pelos mesmos autores e apresentaram a seguinte ordem
de estabilidade para a espécie LM: Al (II)>Gd (III)>Pb (II)>Cd (II) 65.
As constantes de estabilidade de vários complexos binários de VD 3 já foram
determinadas e publicadas por MERCE et al. e demonstraram que a inclusão de
complexos metálicos de VD3 deve permitir que elas sejam mais estáveis em meio
aquoso
63,64,65
. Contudo, foram encontrados na literatura somente alguns trabalhos
que relatam a síntese de complexos ternários associados à BCD, uma molécula
orgânica e um íon metálico
66,67,68,69
.
A formação do complexo ternário de BCD com
VD3 e um íon metálico foi relatada em dois trabalhos publicados por MERCE et al.,
utilizando os íons Cu(II), Co(II), Zn(II) 61 e Al(III) 62.
26
2.5.2 Difratometria de raio-X (DRX)
A difratometria de raios-X é considerada uma técnica amplamente empregada
para a determinação de estrutura de compostos cristalinos. Para isto, emprega-se o
método de monocristal, que pode permitir até a determinação do modo de inclusão.
No entanto, tal método exige monocristais de alta qualidade, e sua obtenção em
sistemas contendo ciclodextrinas é muito difícil.70 O emprego desta técnica se
baseia na comparação dos difratogramas das substâncias puras e do complexo. A
observação de um difratograma com características de material amorfo, sem picos
bem definidos, pode ser indicativa da ocorrência de inclusão.
Compostos de inclusão de ΒCD com convidados pequenos, como metanol e
etanol, cristalizam em geral com a estrutura gaiola tipo herringbone, mesma
estrutura assumida pela ΒCD ―vazia‖. Em se tratando de convidados maiores, o
padrão de cristalização mais comum é a estrutura canal HH, formando-se dímeros
estabilizados por pontes de hidrogênio 71.
2.5.3 Espectroscopia na região do infravermelho por transformada de Fourier
(IVTF)
A
espectroscopia
baseia-se
no
estudo
da
interação
da
radiação
eletromagnética com a matéria. A radiação eletromagnética interage com a matéria
em três processos distintos: absorção, emissão e espalhamento de radiação. A
espectroscopia vibracional engloba duas técnicas: absorção no infravermelho (IR) e
o espalhamento Raman
72
. Moléculas simples ou macromoléculas são constituídas
de átomos e formam estruturas tridimensionais, com distancias de ligações químicas
e ângulos de ligações definidas, apresentando uma determinada simetria molecular.
Qualquer diferença nessas ligações como estiramento, deformação angular ou
torção, pode ser representada no espectro de infravermelho, técnica usada nesse
trabalho.
A literatura básica sobre compostos de inclusão de ΒCD não indica a
espectroscopia vibracional – em especial a espectroscopia de infravermelho – como
uma das ferramentas mais úteis no seu estudo. Uma vez que não há ligações
formais entre ΒCD e o convidado, apenas interações fracas como ligações de
hidrogênio e forças de van der Waals. Deste modo, não são esperadas grandes
modificações no espectro do composto de inclusão (tais como deslocamento e
27
desdobramentos de bandas) se comparado a ΒCD. Além disso, a fração do hóspede
contida no complexo é baixa e bandas que poderiam ser atribuídas a vibrações do
hóspede são facilmente mascaradas por bandas da ΒCD.
Apesar desses aspectos limitantes, a IVTF é relatada na literatura como uma
ferramenta que auxiliou a provar a existência de um composto de inclusão
73
. A
análise é feita por comparação dos espectros dos compostos de inclusão, nas
misturas mecânicas e dos convidados livres com os da ΒCD.
2.5.4 Ressonância magnética nuclear de carbono e hidrogênio (RMN 13C e 1H)
A Ressonância Magnética Nuclear é uma forma de espectrometria de
absorção, na qual sob condições apropriadas, uma amostra pode absorver radiação
eletromagnética em uma freqüência referente às características estruturais da
amostra. A absorção é em função de determinados núcleos da molécula, desses
núcleos, os que apresentam número de spin igual ou maior que um possuem uma
distribuição de carga não esférica. Sendo assim, o número de spin determina o
número de orientações diferentes que um núcleo pode ter quando está em um
campo magnético uniforme. Com isso, os núcleos mais amplamente utilizados na
espectrometria de RMN são o 1H e o
13
C. O espectro é registrado como uma série
de picos cujas áreas são proporcionais ao número de núcleos que eles representam,
como por exemplo, de hidrogênios 74.
É uma técnica que vem sendo bastante utilizada para determinar a formação
dos complexos de inclusão, uma vez que esta possui a vantagem de elucidar a
estrutura do complexo identificando a parte da molécula hospedeira que esta
incluída na cavidade da CD 75
O fenômeno de complexação altera a distribuição de densidade de carga sobre
os grupos funcionais envolvidos e, consequentemente, altera o momento magnético
nuclear resultante sobre estes grupos, levando a variações de deslocamento
químico nos espectros dos compostos de inclusão em relação à moléculas livres.
Entretanto, os efeitos de deslocamentos químicos, após a inclusão na cavidade da
CD, são limitados a poucos décimos de ppm, visto que nos complexos formados
ocorrem
apenas
interações
intermoleculares
consideravelmente a polaridade dos complexos finais.
fracas
70
que
não
alteram
28
A variação do deslocamento químico (∆𝛿) é calculado através da equação a
seguir:
∆𝛿 = 𝛿𝐿 − 𝛿𝐶
(9)
Na qual 𝛿𝐿 e 𝛿𝐶 são os deslocamentos químicos de um átomo de carbono/
hidrogênio específico da molécula livre e complexada, respectivamente.
Com esta técnica, portanto, a interação da vitamina com a ciclodextrina pode
ser evidenciada. A formação do complexo de inclusão pode ser comprovada através
das mudanças das transições químicas da vitamina e das ciclodextrinas no espectro
de RMN.
29
3
3.1
OBJETIVOS
OBJETIVO GERAL
Sintetizar e caracterizar os compostos e complexos binários e ternários
envolvendo ΒCD, VD3 e íons metálicos Ni(II) e Cd(II) para aplicações na área
farmacêutica e biomédica.
3.2
OBJETIVO ESPECÍFICO
Verificar a ocorrência e a estabilidade do composto binário com VD3 e do
composto binário com cádmio e níquel por meio de cálculos das suas
constantes de equilíbrio e a especiação segundo a variação de pH, utilizando
a técnica analítica de titulação potenciométrica.
Verificar a ocorrência e a estabilidade do complexo ternário na presença dos
íons metálicos por meio de cálculos das suas constantes de equilíbrio e a
especiação segundo a variação de pH, utilizando a técnica analítica de
titulação potenciométrica.
Com base nas técnicas espectroscópicas de RMN
13
C e 1H, comparar os
complexos formados e caracterizar esses complexos em estado sólido, por
meio de DRX e por IVTF.
30
4
MATERIAIS E MÉTODOS
Foi utilizada a metodologia proposta por MERCÊ et al.
61,62
para a síntese dos
compostos de inclusão, tanto as estruturas binárias quanto as ternárias. Tanto os
reagentes quanto os materiais necessários para a síntese e caracterização foram
obtidos de fontes comerciais, grau p.a. e sem purificação prévia.
As soluções contendo íons metálicos de Cd(II) e Ni(II) foram preparadas a partir de
seus sais e padronizadas com EDTA, em triplicata.
4.1
MATERIAIS
Ácido clorídrico 37% (Merck), hidróxido de potássio (Nuclear), cloreto de
potássio (Synth), nitrogênio gasoso (comercial, 96%, White Martins), cloreto de
cádmio (Carlo Erba), cloreto de níquel (Vetec) , β-ciclodextrina 98% (Sigma-Aldrich),
Vitamina D3 - Cholecalciferol (Acros), etanol absoluto p.a. (Merck), Glove
AtmosbagTM (AL-211 - Aldrich), gás argônio (comercial, 98%, White Martins), rotaevaporador com vácuo (Fisatom).
4.2
METODOLOGIA
4.2.1 Síntese dos compostos de inclusão
Para a síntese dos compostos de inclusão preparou-se uma solução aquosa
de ΒCD no qual foi adicionada uma massa de VD3 dissolvida em etanol e/ou a
solução contendo os íons metálicos, dependendo se quer a formação de estrutura
binária ou ternária. As soluções de Cd(II) e Ni(II) possuem 0,011 mol/L e 0,010
mol/L, respectivamente. Para ajustar o pH da solução, usou-se uma solução de
ácido clorídrico de 0,02 mol/L ou KOH 0,1 mol/L. O sólido (produto) foi raspado do
balão e guardado em epperdorfs num recipiente protegido da luz e umidade.
Para cada proporção usou-se quantidades de matérias diferentes, como
mostrado na Tabela 3:
31
Tabela 3 – Proporções utilizadas no trabalho
Proporção (5:1)
Proporção (10:1)
ΒCD
0,20 mmol
0,20 mmol
VD3
0,04 mmol
0,02 mmol
Cd(II)
0,04 mmol
0,02 mmol
Ni(II)
0,04 mmol
0,02 mmol
4.2.1.1 Metodologia para obtenção do composto binário ΒCD:VD3
Em atmosfera inerte, usando-se a glove e atmosfera de argônio, 0,04 mmol
de VD3 foram dissolvidos em 20 mL de etanol absoluto. Esta solução foi adicionada
a uma solução com 0,2 mmol de ΒCD previamente dissolvidos por 12 horas de
reação em 20 mL de água. O pH foi ajustado entre 4,5 e 5,5,76 e deixados sob
agitação magnética por 4 horas. Depois, a solução foi transferida ao rota-evaporador
até obter o sólido seco.
4.2.1.2 Metodologia para a mistura física (MF)
As misturas físicas da VD3 e da BCD foram preparadas na proporção molar
de 1:1, sendo os dois materiais misturados no estado sólido, sem trituração.
4.2.1.3 Metodologia para o complexo binário ΒCD:M(II)
Para a estrutura binária com íon metálico, 0,2 mmol da ΒCD foram dissolvidos
por 12 horas em 20 mL de H2O, foi adicionado 4 mL ou 2 mL do íon metálico de uma
solução padronizada. O pH da dessa solução foi controlado para ficar entre 4,5 e
5,5, e deixado sob agitação magnética por 4 horas. Após esse período de reação (4
horas) as soluções foram transferidas ao rota-evaporador até obter o sólido seco.
4.2.1.4 Metodologia para o complexo ternário ΒCD:VD3 :M(II)
Em atmosfera inerte, usando a glove e gás argônio, 0,016 g de VD3 foram
dissolvidos em 20 mL de etanol absoluto. Esta solução foi adicionada a uma solução
com 0,227 g de ΒCD previamente dissolvidos em 20 mL de água. A esta solução já
com VD3 e ΒCD, 4 ou 2 mL do íon metálico de uma solução padronizada foram
32
adicionados lentamente. O pH dessa solução foi controlado para ficar entre 4,5 e
5,5, deixados sob agitação magnética por 4 horas. Após o período de reação (4
horas) as soluções foram transferidas ao rota-evaporador até obter o sólido. As
proporções dos compostos, tanto os binários quanto os ternários, estão resumidos
na Tabela 4:
Tabela 4: Estruturas binárias e ternárias de ΒCD com VD3 e íon metálico (Cd(II) e Ni(II)) nas
proporções 5:1 e 10:1
VD3
Cd(II)
Ni(II)
Estruturas binárias
Estruturas ternárias
ΒCD:VD3 (5:1)
-
ΒCD:Cd(II) (5:1)
ΒCD:VD3:Cd(II) (5:1)
ΒCD:Cd(II) (10:1)
ΒCD:VD3:Cd(II) (10:1)
ΒCD:Ni(II) (5:1)
ΒCD:VD3:Ni(II) (5:1)
ΒCD:Ni(II) (10:1)
ΒCD:VD3:Ni(II) (10:1)
4.2.2 Caracterização dos complexos de inclusão
4.2.2.1 Titulação potenciométrica
Para se determinar a concentração ideal, foram realizadas titulações de 0,1
mmol, 0,07 mmol, 0,05 mmol e 0,03 mmol de cada composto incluso em dois
diferentes sistemas: 100% água deionizada e água (70%)/ etanol (30%), variando as
proporções M:L de Cd(II) e Ni(II) em 1:1e 2:1. Contudo, a solubilização foi melhor
para a quantidade de matéria de 0,03 mmol dos compostos no sistema com 100%
de água deionizada. Portanto, os estudos de titulação potenciométrica empregaram
0,03 mmol da ΒCD ou da estrutura binária ΒCD:VD3 e soluções dos metais
selecionados na proporção 1:1 (M:L), I= 0,100 mol/L, KCl, T= 25,0 ± 0,1 oC, com
adição de 5 mL de ácido inorgânico, para que a faixa de pH estudada varie entre 2,0
e 11,0 77.
Na estrutura da ΒCD existem 70 átomos de hidrogênio, dos quais apenas os
ligados a átomos de oxigênio que estão ligados ao carbono C2,C3 e C6 da ΒCD
78
são considerados ácidos. Contudo nesse trabalho foi considerado que apenas os
átomos de hidrogênio da hidroxila do C6 são susceptíveis a desprotonação.
As soluções das estruturas binárias e ternárias foram tituladas, em triplicata,
com KOH aquoso (padronizado com biftalato de potássio) em bureta de pistão
33
modelo Titronic universal do fabricante Schott, em ambiente inerte (nitrogênio).
Utilizou-se eletrodo de H+ e Ag/AgCl modelo 9157BNMD com pHmetro Orion Star. A
calibração do eletrodo foi feita com padrões de pH 4, 7 e 10 a cada análise.
O tratamento dos dados potenciométricos foi realizado pelo programa
Hyperquad 2008. Durante o refinamento dos dados a constante de dissociação da
água foi mantida fixa em log β = 13,78.79 O programa Hyss foi utilizado para calcular
e visualizar a distribuição das espécies presentes no equilíbrio estudado,
importando-se os dados gerados no programa Hyperquad. Nos diagramas de
especiação os valores apresentados no eixo y são de 100% em relação à
concentração total do metal no equilíbrio, sendo representadas curvas de máximos
percentuais proporcionais à concentração de metal utilizado para a formação das
espécies no meio aquoso.80
4.2.2.2 Difratometria de raios-X (DRX)
Os difratogramas foram obtidos em um difratômetro de raios-X Shimadzu
modelo XDR-7000, empregando-se o método pó, radiação Cu-Kα (1,5418 Å). A
região estudada foi de 2θ = 55° a 2θ = 5°, com o aparelho nas condições de corrente
de 40 kV e voltagem de 20 mA.
4.2.2.3 Espectroscopia na região do infravermelho (IVTF)
Os compostos de inclusão também foram caracterizados por espectroscopia na
região do infravermelho com transformada de Fourier [Equipamento BOMEM
(Departamento de Química - UFPR)] na faixa espectral de 4000-400 cm-1 com 64
scans.min-1 e resolução de 4 cm-1. Para análise dos produtos sólidos foram
utilizadas pastilhas de KBr. Cerca de 200 mg de KBr para 2 mg da amostra.
4.2.2.4 Ressonância magnética nuclear de carbono e hidrogênio (RMN 13C e 1H)
As analises por RMN de
13
C foram realizadas à temperatura ambiente com
um espectrômetro Bruker AVANCE 600 (Departamento de Bioquímica – UFPR),
operando a 14,1 Tesla, observando o núcleo de carbono a 150 MHz, equipado com
uma sonda multinuclear de observação direta de 5 mm. Para isso, for dissolvida
certa quantidade de cada amostra em dimetilsulfóxido deuterado e as soluções
34
foram transferidas para tubos de 5 mm de diâmetro. Os deslocamentos químicos
foram expressos em ppm, em relação ao sinal do TMS em 0,0 ppm, como referência
interna.
35
5
RESULTADOS E DISCUSSÃO
As propriedades físico-químicas da CD e dos hóspedes variam frequentemente
com a formação de complexos de inclusão em solução aquosa. Assim, podem ser
usados diversos métodos experimentais para detecção e caracterização dos
complexos.81 Para verificar o potencial de inclusão dos produtos obtidos, foram
utilizadas técnicas usadas na literatura para esse objetivo61,62,64.
A numeração dos átomos de carbono da unidade glicosídica da ΒCD foi
utilizada como ilustrado na Figura 3.
5.1
TITULAÇÃO POTENCIOMÉTRICA
5.1.1 Constantes de protonação
As constantes de protonação (log β) do ΒCDH (ΒCD protonada) e do
composto binário ΒCD:VD3H protonado e suas constantes de equilíbrio estão
representados na Tabela 5. Não foram encontradas referências para as constantes
de protonação (log β) da ΒCD para o mesmo sistema trabalhado. Foi usado o valor
de log β da VD3 pura igual a 12,4
63,64,65
. De acordo com a Equação 5, o log β
experimental será igual ao log k experimental, uma vez que há somente a formação
de uma constante.
Tabela 5: Logaritmos das constantes de protonação da ΒCD e da ΒCD:VD3
Equilíbrio
ΒCDH
ΒCDVD3H
log β experimental
log k experimental
[βCDH]
βCD . [𝐻]
10,16 ± 0,04
10,16 ± 0,04
βCDVD3 H
βCDVD3 . H
20,43 ± 0,04
20,43 ± 0,04
β=
β=
Ao somar os valores do log β da ΒCD (log β = 10,16) com da VD3 (log β =
12,4) será obtido um valor de log β = 22,56. Esse valor é superior ao encontrado
experimentalmente, log β da BCDVD3 = 20,43, portanto, pode-se dizer que a BCD e
a VD3 estão formando uma nova estrutura, o composto de inclusão.
Os valores obtidos para log β da ΒCD são referentes a um sítio de
protonação, da hidroxila ligada ao carbono C6. A curva da ΒCD pura, Figura 6,
mostra que a desprotonação ocorreu para a>0.
36
Com o composto binário ΒCD:VD3 (Figura 6), contudo, a desprotonação
começa a partir de a>1. O valor obtido de log β é menor que a soma dos dois
compostos, uma vez que a inclusão alterou estruturalmente a ΒCD.
12
10
BCDVITH
BCD
pH
8
6
4
2
0
2
4
a(mmol KOH/mmol ligante)
Figura 6 - Curva de titulação experimental da BCD livre e do composto binário ΒCD:VD 3 (BCDVITH).
A distribuição das espécies para a ΒCD em função do pH é mostrada na
Figura 7. Pode-se observar que a desprotonação da ΒCD ocorre a partir do pH 10,
após isso aumenta a concentração de ΒCD desprotonada. Com o composto binário
ΒCD:VD3 é observado o oposto (Figura 8), a desprotonação da ΒCD ocorre a partir
do pH 3,0 e começa a formação de 100% do composto binário ΒCD:VD3. Estes
resultados atestam que houve uma mudança na estrutura da ΒCD, caracterizando a
formação do composto de inclusão.
37
Figura 7 - Distribuição das espécies para a ΒCD em função do pH e da % de formação.
Figura 8 - Distribuição das espécies para o composto binário ΒCD:VD3 (BCDVIT) e da % de
formação.
38
5.1.2 Curva experimental e curva da simulação do modelo teórico
Nas figuras abaixo (Figura 9 e Figura 10) estão representadas as curvas de
titulação experimental (losangos) e calculado (linha contínua ao fundo) da ΒCD e do
composto binário ΒCD:VD3, respectivamente. A curva da simulação do modelo
teórico é calculada a partir das propostas das possíveis espécies presentes no
equilíbrio.
É possível notar um ajuste razoável para as curvas da ΒCD pura pelo fato
desta não ser totalmente solúvel no sistema com H2O. Portanto, é necessário ajustar
o sistema usado para a titulação, uma vez que também não foi possível obter dados
para os complexos binários com cádmio e níquel, e, também, para o complexo
ternário devido à baixa solubilidade da BCD em água e nas proporções testadas. A
curva do composto binário ΒCD:VD3, entretanto, apresentou um bom ajuste,
mostrando que a presença da VD3 na cavidade da BCD promoveu uma camada de
solvatação para estabilizar o composto.
Figura 9 - Curva experimental (losangos) e curva do modelo teórico (linha contínua) para a ΒCD.
39
Figura 10 - Curva experimental (losangos) e curva do modelo teórico (linha contínua) para o
composto binário ΒCD:VD3.
5.2
DIFRATOMETRIA DE RAIO-X (DRX)
5.2.1 Difratograma de raios-X do composto binário ΒCD:VD3
As
análises
por
difratometria
de
raios-X
mostraram
características
significativas nas amostras. A ΒCD apresentou um perfil cristalino com picos
característicos em 2θ de 9; 12,5; 27,5; 32 e 35,2 como pode ser visto na Figura 11.
Não foi possível obter o difratograma da VD3 pura devido à sua alta reatividade com
o oxigênio.
Ao comparar o difratograma da ΒCD com a mistura física (MF) nota-se que
ambos apresentam os mesmos picos mas com redução de intensidade em relação
aos mesmos assinalados no difratograma da BCD. Contudo, para o composto
binário ΒCD:VD3 o mesmo não ocorre, ao se comparar o difratograma do composto
binário com os outros citados nota-se uma redução de simetria cristalina
(característica de um material amorfo), apresentando somente o pico 12,5 da BCD.
40
BCD
Intensidade (u.a)
MF
BCD:VD3
5
10
15
20
2
25
30
Graus)
Figura 11 - Difratograma da ΒCD pura, MF e ΒCD:VD3
35
40
41
Os produtos de inclusão, além da redução da cristalinidade, apresentam uma
alteração em seu perfil se comparado à ΒCD. Esta alteração se dá tanto por
supressão de grande parte dos picos quanto por pequeno deslocamento de alguns
deles.
As alterações estruturais decorrentes da inclusão são nítidas, embora o
sistema hospedeiro seja relativamente rígido, e o diâmetro da cavidade interna da
ΒCD não se altere com o fenômeno.82 Conclui-se, portanto, frente aos resultados
obtidos, que as diferenças estruturais entre a nova fase cristalina estabelecida e a
ΒCD pura estejam relacionadas a uma diferença na disposição das unidades
cíclicas, provavelmente decorrente das interações intermoleculares induzidas pela
presença do hóspede na cavidade.
5.2.2 Difratograma de raios-X dos complexos binários e ternários do cádmio e
níquel.
Na Figura 12, comparando-se os difratogramas dos complexos binários e
ternários de cádmio com o difratogramas da ΒCD pura, BCD:VD3 e da MF, pode-se
perceber uma diminuição das intensidades dos picos tanto dos complexos binários
quanto dos ternários. Portanto, pode-se dizer que esses complexos cristalizam com
a estrutura gaiola, mesma estrutura assumida pela ΒCD ―vazia‖. O mesmo ocorre
com os complexos binários e ternários de níquel (Figura 13) que também cristalizam
formando a estrutura gaiola que ocorre quando as intensidades dos picos mudam,
mas sua cristalinidade é a mesma, apresentando o mesmo empacotamento que a
BCD hidratada.
.
42
BCD:Vit:Cd (10:1)
BCD:Vit:Cd (5:1)
Intensidade (u.a)
BCD:Cd (10:1)
BCD:Cd (5:1)
BCD:VIT
BCD
MF
5
10
15
20
25
30
35
2 Graus)
Figura 12 – Difratograma da ΒCD e dos complexos binários e ternários de Cd(II) nas proporções 5:1 e
10:1.
43
BCD:Vit:Ni (10:1)
BCD:Vit:Ni (5:1)
Intensidade (u.a)
BCD:Ni (10:1)
BCD:Ni (5:1)
BCD:Vit
BCD
MF
5
10
15
20
2
25
30
35
Graus)
Figura 13 - Difratograma da ΒCD e dos complexos binários e ternários de Ni (II) nas proporções 5:1 e
10:1.
44
5.3
ESPECTROSCOPIA NA REGIÃO DO INFRAVERMELHO
5.3.1 Espectros de IVTF do composto binário ΒCD:VD3
O fato da VD3 ser altamente reativa com o oxigênio não se permitiu obter um
espectro da vitamina pura, portanto, o espectro experimental foi comparado com
espectros teóricos, calculados a partir de suas geometrias otimizadas utilizando o
Transmitância (%)
funcional B3LYP e função de base 6-31g (Figura 14).
VD3
BCD
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
-1
Numero de onda (cm )
Figura 14 - Espectro teórico de IVTF da ΒCD e VD3
Nota-se que as bandas de ambos componentes são similares, e as vibrações
da VD3 serão consideravelmente superpostas pelas bandas da ΒCD, inclusive na
amostra MF, como pode ser visto na Figura 15. Portanto, para caracterizar um
composto de inclusão, deve-se ater a diferenças no espectro de IVTF como
pequenos deslocamentos ou mesmo o alargamento de bandas. Na Tabela 6 são
mostradas as bandas características da BCD.
45
Tabela 6 - Bandas características das CDs no espectro de IVTF.
Atribuições*
Comprimento de onda
3341 cm
δ = deformação; ν = estiramento
-1
2970 e 2930 cm
ν (O-H)
-1
ν (C-H)
1650 cm
-1
δ angular de (O-H)
1458 cm
-1
δ (C-H) de CH2 e CH3
1377 cm
-1
δ (C-H) de CH3
1334 cm
-1
Acoplamento δ(C-C-H), δ(C-O-H), δ(H-C-H)
1261 cm
-1
1155 e 1080 cm
1031 cm
Acoplamento δ(O-C-H), δ(C-O-H), δ(C-C-H)
-1
Acoplamento ν(C-O), ν(C-C), δ(C-O-H)
-1
948 cm
-1
850 cm
-1
Acoplamento ν(C-C), δ(O-C-H), δ(C-C-O)
Vibrações no esqueleto envolvendo as ligações α-1,4
Acoplamento δ(C-C-H), ν(C-O)
* Fonte: EGYED, 1990.
83
Pode-se observar na Figura 15 uma banda alargada em 3341 cm-1
característica do estiramento dos grupos hidroxilas com ligações de hidrogênio
intramoleculares. A banda em 2930 cm-1 é atribuída à vibração do estiramento
assimétrico e simétrico dos grupos metilênicos da ΒCD.
A banda 1650 cm-1 é
referente à água de hidratação da ΒCD. As bandas em 1458 cm-1 e 1334 cm-1 são
de
deformação
angular
no
plano
de
alcoóis
primários
e
secundários,
respectivamente. A banda referente à deformação axial assimétrica C-O-C é a 1155
cm-1, que é observada para a maioria dos sacarídeos e é atribuída à vibração do
anel da piranose e ao estiramento assimétrico das ligações glicosídicas. Na região
entre 1334 cm-1 e 850 cm-1 nota-se a presença de varias bandas atribuídas as
ligações α- 1,4 dos anéis glucopiranosídicos que compõem a ΒCD 83.
Transmitância (%)
46
MF
BCD:VD3
BCD
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
-1
Numero de onda (cm )
Figura 15 - Espectro de IVTF da ΒCD e do composto binário ΒCD:VD3
Como visto na Figura 15, o espectro para o complexo de inclusão é similar a
ΒCD indicando a formação do complexo de inclusão, um fenômeno observado por Li
et al.84 Além disso, a diminuição do alargamento da ampla banda dos grupos
hidroxilas (3379 cm-1) é uma boa indicação da formação do complexo de inclusão,
uma vez que foi alterado o ambiente químico dessas moléculas. O espectro da MF
deixa isso bem claro, uma vez que a banda 3379 cm-1 é bem diferente da BCD:VD3 e
da
BCD
livre.
pesquisadores
Este
73,84,85
.
é
um
fenômeno
comum
observado
por
muitos
47
5.3.2 Espectros de IVTF dos complexos binários e ternários do cádmio e
níquel.
Para melhor visualização, os espectros de IVFT foram divididos em duas
partes na qual (i) mostra a região espectral de 4000 a 2500 cm -1 e (ii) mostra a
região espectral de 1600 a 400 cm-1.
O complexo ternário BCD:VD3:Cd(II) (5:1:1) sofreu em relação à BCD a maior
alteração nessas bandas, em contrapartida, o complexo ternário na proporção
10:1:1, apresentou uma menor alteração (Figura 16). Na Figura 17 nota-se que
existe a diminuição do alargamento da banda 1650 cm -1 e também pequenos
deslocamentos em relação à mesma banda em BCD, em todos os complexos de Cd
(II) indicando fortemente a existência de uma interação com a BCD. O mesmo ocorre
para a banda 1458 cm-1 que é referente a deformação angular da hidroxila primaria
da BCD.
O complexo binário BCD:Ni(II) (5:1) apresentou um alargamento maior que a
BCD livre (Figura 18), mas apresentou uma diminuição na banda 1650 cm -1 (Figura
19) indicando que houve uma interação com a BCD. Todos os outros complexos
com Ni (II) apresentaram características semelhantes ao complexo com Cd (II)
indicando a formação de um complexo semelhante para ambos os íons metálicos.
48
Transmitância (%)
90
3341
60
BCD
2+
BCD:VD3:Cd (10:1:1)
30
2+
BCD:VD3:Cd (5:1:1)
2+
2930
BCD:Cd (10:1)
2+
BCD:Cd (5:1)
BCD:VD3
0
3500
3000
-1
Numero de onda (cm )
2500
1458
1415
1417
1650
1639
1635
1600
1421
1419
1416
1633
1637
1636
BCD:VD3
2+
BCD:Cd (5:1)
2+
BCD:Cd (10:1)
2+
2+
BCD:VD3:Cd (5:1:1) BCD:VD3:Cd (10:1:1) BCD
Figura 16 - Espectro (i) de IVTF dos complexos de Cd (II)
1400
1200
1000
800
600
-1
Numero de onda (cm )
Figura 17 - Espectro (ii) de IVTF dos complexos de Cd (II)
400
49
80
BCD:VD3:Ni (10:1)
3341
40
BCD:VD3:Ni (5:1)
BCD:VD3
2930
BCD:Ni (10:1)
BCD:Ni (5:1)
BCD
0
3500
3000
2500
-1
Numero de onda (cm )
1458
1413
1417
1418
1415
1650
1648
1646
1637
1645
1600
1411
1635
BCD:Ni (10:1)
BCD:VD3
BCD:VD3:Ni (5:1)
BCD:VD3:Ni (10:1)
BCD
Figura 18 – Espectro (i) de IVTF dos complexos de Ni (II)
BCD:Ni (5:1)
Transmitância (%)
120
1400
1200
1000
800
600
-1
Numero de onda (cm )
Figura 19 - Espectro (II) de IVTF dos complexos de Ni (II)
400
50
5.4
RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE CARBONO E DE HIDROGÊNIO
(RMN 13C E RMN 1H)
5.4.1 Caracterização por RMN de 13C e 1H do composto binário BCD:VD3.
Como parâmetro para evidenciar os compostos de inclusão por RMN
13
C,
foram usados os desvios para a VD3 previamente relatados por BERMAM et al.86 e
MERCÊ et al.76, assim como os espectros de RMN de
trabalhos anteriores do LEQ
13
C (Figura 20) obtidos nos
76
. A fim de evidenciar os compostos de inclusão por
RMN 1H, foram usados os desvios de BCD previamente relatados por SCHNEIDER
et al. 87 já os desvios para a VD3 foram retirados do banco de dados HMDB
88
.
Ao observar a Figura 20, nota-se que os desvios químicos da BCD e da VD3
não são coincidentes. Quando existe uma mistura física da BCD e VD3 todos os
sinais característicos dos dois compostos, estão presentes no espectro. Quando a
BCD e VD3 são submetidos a uma reação de inclusão, os deslocamentos referentes
à VD3 não estão presentes ou mesmo aparecem apenas alguns traços que,
provavelmente, se referem à parte da vitamina que está fora da cavidade da BCD 89.
A figura também se encontra no ANEXO para melhor visualização.
Figura 20 – Espectro de RMN de 13C: (a) BCD; (b) MF; (c) BCD:VD3; (d) VD3 61.
51
Usando-se a técnica de RMN
13
C é possível determinar os deslocamentos do
conjunto binário BCD:VD3 e todos os sinais relativos à BCD estão ligeiramente
deslocados, como visto na Tabela 7 (-0,016 a -0,021 ppm), e não aparece sinais
relativos à VD3, como pode ser notado na Figura 21. Conseqüentemente, pode-se
dizer, que a VD3 está encapsulada na cavidade da ΒCD, uma vez que não há
alterações significativas em ambos os espectros. Nota-se também que a Δδ do
composto está negativa, sugerindo uma proteção por parte desses átomos de C.
Tabela 7: Relação dos deslocamentos químicos dos átomos de C da BCD e BCD:VD3 em ppm.
C1
C2
C3
C4
C5
C6
ΒCD
102,20
72,65
73,29
82,07
72,30
60,27
ΒCD:VD3
102,41
72,84
73,48
82,23
72,49
60,45
Δδ
-0,21
-0,19
-0,19
-0,16
-0,19
-0,18
Na Figura 21 estão apresentados os espectros de RMN de
13
C do composto
binário ΒCD:VD3 e da ΒCD, comparativamente, obtidos neste trabalho. Este último é
análogo ao espectro característico da ΒCD exibindo ressonâncias múltiplas para
cada tipo de átomo de carbono: C1 (101,5-103,8 ppm), C4 (78,5-83,7 ppm), C2,3,5
(71.3-75.9 ppm) e C6 (59.3-63.4 ppm). A vasta gama de desvios químicos de cada
átomo está relacionada com as diversas orientações ligeiramente distintas de cada
unidade de glicose no macrociclo βCD, isto é, com diferentes ângulos de torção em
torno das ligações glicosídicas α-(1,4) para C1 e C4, e com orientações diferenciadas
dos grupos de hidroxilas primárias (O6―H) para C6.90
52
60.271
72.302
72.654
73.294
82.072
102.215
BCD
60.447
72.489
72.842
73.479
82.227
102.406
BCD:Vit
100
90
80
Figura 21- Espectro de RMN de
13
70
60
ppm (t1)
C da ΒCD e ΒCD:VD3 em ppm.
O espectro de teórico de RMN 1H da BCD (Figura 22) possui seis prótons
identificáveis: H1, H2, H4 e H6 localizados externamente e H3 e H5 na cavidade da
CD. Observa-se um duplo dubleto em δ 5,60 - 5,75 ppm referente às hidroxilas
secundárias dos carbonos 2 e 3 da CD, e, em δ 4,40 ppm, um tripleto relativo à
hidroxila primária no carbono 6. Os sinais entre δ 3,25 – 3,70 são atribuídos à
estrutura do anel da BCD87.
1
Figura 22 – Espectro de RMN H da BCD livre. Fonte: SCHNEIDER (1998)
87
Em relação ao espectro teórico de RMN 1H da VD3 pura é possível notar um
grupo de sinais entre δ 0,54 e 3,95 ppm são referentes aos átomos de hidrogênio
53
ligados a átomos de carbono alifático da vitamina, mostradas na cor verde na Figura
23. Na cor azul, estão representados os átomos de hidrogênio referente aos sinais
entre δ 4,9 e 6,24 ppm. No espectro de RMN 1H do conjunto binário BCD:VD3, todos
os sinais relativos à BCD estão deslocados, como visto na Tabela 8 (-0,02 a -0,104
ppm) e observa-se uma variação significativa no deslocamento químicos dos sinais
de ressonância atribuídos aos átomos de hidrogênio H3 , H5 e H6. A variação nos
deslocamentos químicos dos sinais de hidrogênio induzidos pela complexação do
tipo hóspede-hospedeiro é uma característica importante na avaliação da formação
do composto de inclusão indicando a inclusão total ou parcial do hóspede.
1
Figura 23 – Espectro de RMN H da vitamina D3 livre. Fonte: WISHART, 2013 88.
Tabela 8: Relação dos deslocamentos químicos dos átomos de H da BCD e BCD:VD3 em ppm
H1
H2
H3
H4
H5
H6
ΒCD
4,82
3,29
3,64
3,34
3,59
3,64
ΒCD:VD3
4,848
3,31
3,744
3,353
3,651
3,744
Δδ
-0,028
-0,02
-0,104
-0,013
-0,061
-0,104
54
Na Figura 24, ao se comparar o espectro da BCD:VD3 com a da MF, nota-se
que no espectro da MF existe a diminuição de intensidade de vários picos na região
entre 0,54 e 3,95 ppm e também a supressão de alguns picos da VD3 como o H8
(5,03 ppm) e também dos picos referentes às hidroxilas OH-2 (6,21 ppm), OH-3
(5,99 ppm) e OH-6 (4,14 ppm) da VD3, confirmando a inclusão da VD3 na cavidade
da BCD e afirmando a existência de ligações de hidrogênio entre as próprias
ciclodextrinas.
MF
BCDVIT
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
ppm (t1)
1
Figura 24 - Espectro de RMN H da MF (acima) e BCD:VD3 (abaixo).
Paralelamente, foi realizado um trabalho de modelagem molecular que
consistiu na otimização da geometria da BCD e da VD 3 (paralelamente), de forma a
obter a geometria de estado fundamental de ambas. Sequencialmente, foi otimizada
a geometria do composto de inclusão, na qual a VD3 é inserida na cavidade da BCD
de forma arbitraria. Salienta-se que as geometrias otimizadas localizam-se no
estado fundamental, tendo em vista que não foram observadas frequências
vibracionais negativas nos cálculos. A estrutura proposta é apresentada na Figura
25.
55
BCD
VD3
BCD:VD3
Figura 25 - Proposta de estrutura do composto binário BCD:VD3
56
5.4.2 Caracterização por RMN de
13
C e 1H dos complexos binários BCD:Cd(II)
e BCD:Ni(II)
No espectro de RMN de
13
C dos complexos BCD:Cd(II), tanto na proporção
5:1 como na 10:1, existem deslocamentos químicos positivos em todos os átomos
de carbono (Tabela 9) indicando uma alteração conformacional desblindada, dentre
eles. O sinal do átomo C4 é o mais deslocado com relação ao mesmo átomo de
carbono da BCD assim como o deslocamento do C6 também é significativo. Todavia,
no RMN 1H, os átomos de H apresentaram Δδ negativos caracterizando um efeito de
blindagem dos complexos. Nota-se também que a Δδ dos H3 e H6 mostram proteção
por parte desses átomos, que ocorrem devido ao efeito indutivo causado pela
complexação do Cd(II) com a BCD.
No espectro de RMN de 1H (Figura 26) pode-se notar um alargamento do pico
da hidroxila OH-2 e OH-3, fator que indica uma alteração na estrutura da CD, e,
também a supressão da hidroxila OH-6, indicando uma interação do Cd(II) com
esses átomos de oxigênio. Os espectros do RMN
13
C desse complexo encontra-se
no item APENDICE.
BCDCd ( 10:1)
BCDCd ( 5:1)
6.00
5.50
5.00
4.50
4.00
3.50
ppm (t1)
1
Figura 26 - Espectro de RMN H do complexo BCD:Cd na proporção 10:1 (acima) e da proporção 5:1
(abaixo).
57
Tabela 9: Relação dos deslocamentos químicos dos átomos de C e H da ΒCD, ΒCD:Cd(II) e
BCD:Ni(II).
Complexos
C1
H1
C2
H2
C3
H3
C4
H4
C5
H5
C6
H6
ΒCD
102,22
4,82
72,65
3,29
73,29
3,64
82,07
3,34
72,30
3,59
60,27
3,64
BCD:Cd(II) (5:1) 102,18
4,85
72,61
3,31
73,27
3,70
81,79
3,35
72,25
3,61
60,16
3,74
Δδ (BCD)*
0,04
-0,03
0,05
-0,02
0,02
-0,06
0,28
-0,01
0,05
-0,02
0,11
-0,10
BCD:Cd(II)
(10:1)
Δδ (BCD)*
102,20
4,84
72,65
3,30
73,29
3,70
81,94
3,35
72,29
3,61
60,23
3,75
0,02
-0,02
0,01
-0,01
0,01
-0,06
0,13
-0,01
0,01
-0,02
0,04
-0,11
BCD:Ni(II) (5:1)
102,13
4,85
72,23
3,33
73,23
3,70
81,73
3,35
72,21
3,63
60,12
3,73
Δδ (BCD)*
0,08
-0,02
0,42
-0,04
0,06
-0,06
0,34
-0,01
0,09
-0,04
0,15
-0,09
BCD:Ni(II)
(10:1)
Δδ (BCD)*
102,20
4,85
72,60
3,35
73,30
3,67
81,79
3,35
72,28
3,60
60,20
3,67
0,02
-0,03
0,05
-0,06
-0,01
-0,03
0,28
-0,01
0,02
-0,01
0,07
-0,03
Em relação aos complexos binários com Ni(II), no RMN de 1H também
existem Δδ negativos em todos os átomos de hidrogênio (Tabela 9), que caracteriza
um efeito de blindagem. Os hidrogênios H3 e H6 apresentaram um maior Δδ dos
mostrando também uma blindagem por parte desses átomos, que ocorrem devido
ao efeito indutivo causado pela complexação do Ni(II) com a BCD.
No espectro de RMN de
13
C desses complexos percebe-se que além dos
deslocamentos do C4 e do C6, existe também um deslocamento significativo no C2 e
somente na proporção 5:1 com Δδ
(5:1)
= 0,42 ppm. Esses resultados indicam uma
grande alteração conformacional que o íon Ni (II) causa na estrutura da BCD. Os
espectros do RMN 13C desse complexo estão no ítem APENDICE.
Na Figura 27 é possível verificar a supressão do pico da hidroxila OH-6 no
complexo da proporção 5:1 e também um alargamento do pico da hidroxila OH-2 e
OH-3, contudo, o mesmo não ocorre na proporção 10:1, na qual nota-se uma
proteção na hidroxila OH-6. Estes dados apontam que há possivelmente dois sítios
distintos de complexação diferentes conforme a quantidade de BCD no sistema.
Esses dados não são consistentes com nenhuma proposta de conformação
estimada, tornando necessária uma abordagem mais aprofundada através da
técnica HSQC, na qual poderá ser conclusiva para avaliação desses resultados.
58
BCDNi ( 5:1)
BCDNi ( 10:1)
6.00
5.50
5.00
4.50
4.00
3.50
ppm (t1)
1
Figura 27 - Espectro de RMN H do complexo BCD:Ni na proporção 5:1 (acima) e da proporção 10:1
(abaixo).
Na Figura 28 é demonstrada a proposta de estrutura dos complexos binários
de BCD com os íons metálicos Cd (II) e Ni (II), levando em consideração os dados
obtidos até o momento, ambos os íons metálicos estariam ligados ao oxigênio ligado
ao C6 da BCD. Os metais foram coordenados de maneira arbitrária, e suas
geometrias moleculares não foram otimizadas até o termino do trabalho, sendo os
resultados apresentados destes meramente ilustrativos.
Figura 28 - Proposta de estrutura dos complexos binários BCD:Cd (II) e BCD:Ni (II).
59
5.4.3 Caracterização por RMN de
13
C e
1
H dos compostos ternários
ΒCD:VD3:Cd(II) e ΒCD:VD3:Ni(II)
Os dados de deslocamentos químicos dos complexos ternários com Cd(II) e
Ni(II) são apresentados na Tabela 10, e uma relação de diferenças entre os
deslocamentos químicos dos complexos ternários BCD:VD3:M (II) e seus formas
binárias correspondentes BCD:VD3 são listadas na Tabela 11.
Tabela 10: Relação dos deslocamentos químicos dos átomos de C e H dos complexos ternários com
Cd(II) e Ni(II).
Complexos
C1
H1
C2
H2
C3
H3
C4
H4
C5
H5
C6
H6
ΒCD:VD3:Cd(II) (5:1:1)
102,16
4,86
72,60
3,36
73,27 3,67
81,77 3,35
72,25 3,60
60,15 3,60
ΒCD:VD3:Cd(II) (10:1:1) 102,20
4,85
72,62
3,33
73,28 3,70
81,87 3,32
72,27 3,65
60,19 3,73
ΒCD:VD3:Ni(II) (5:1:1)
102,04
4,84
72,46
3,32
73,14 3,72
81,62 3,32
72,12 3,57
60,02 3,72
ΒCD:VD3Ni(II) (10:1:1)
102,01
4,83
72,45
3,29
73,12 3,74
81,62 3,34
72,11 3,61
60,01 3,70
Na Tabela 11 são apresentadas os deslocamentos químicos dos complexos
ternários, bem como a diferença destes com os deslocamentos químicos da
ΒCD:VD3. Ao se comparar os deslocamentos químicos do complexo ΒCD:VD3:Cd(II)
(5:1:1) com os deslocamentos do composto binário ΒCD:VD3, nota-se um
deslocamento significativo para todos os átomos de carbono (de -0,21 ppm a -0,46
ppm), sendo que o maior deslocamento é referente aos carbonos C 4 (-0,46 ppm) e
C6 (-0,30 ppm). Para o complexo ΒCD:VD3:Cd(II) (10:1:1), existe as mesmas
variações mas com intensidade menor se comparado com o mesmo complexo de
proporção (5:1). Através do RMN 1H nota-se que existe um efeito de desblindamento
do H2, 0,05 ppm para ΒCD:VD3:Cd(II) (5:1:1) e 0,03 ppm para ΒCD:VD3:Cd(II)
(10:1:1).
60
Tabela 11 - Relação das variações dos deslocamentos químicos entre os compostos ternários e
binários.
Complexos
C1
H1
C2
H2
C3
H3
C4
H4
C5
H5
C6
H6
-0,25
0,01
-0,24
0,05
-0,21 -0,07 -0,46
0,00
0,01
-0,03
0,03
-0,01
-0,37 -0,01 -0,38
0,01
-0,34 -0,02 -0,61 -0,03 -0,37 -0,08 -0,43 -0,02
ΒCD:VD3:Cd (5:1:1)
Δδ (BCD:VD3)*
0,00
-0,24 -0,05 -0,30 -0,14
ΒCD:VD3:Cd (10:1:1)
Δδ (BCD:VD3)
0,00
-0,07 -0,03 -0,02
0,04
-0,04 -0,02
ΒCD:VD3:Ni (II) (5:1:1)
Δδ (BCD:VD3)
ΒCD:VD3Ni (II) (10:1:1)
Δδ (BCD:VD3)
-0,40 -0,02 -0,39 -0,02 -0,36
0,00
-0,61 -0,01 -0,38 -0,04 -0,44 -0,04
*Δδ (BCD:VD3) são os deslocamentos químicos do complexo ternário BCD:VD3:M (II) menos o
binários BCD:VD3.
Esses dados, quando confrontados com os o espectro de RMN 1H (Figura
29), na qual pode-se verificar a supressão da hidroxila OH-2 o que indica a ligação
do Cd(II) com esse átomo de oxigênio. Nota-se também um pico na região entre 4 e
5 ppm referente a H8 da VD3.
Portanto, o complexo ternário formado de
ΒCD:VD3:Cd(II) terá a VD3 inclusa na cavidade e o íon Cd(II) se complexará,
provavelmente, no lado de fora da BCD.
BCDVitCd ( 10:1:1)
BCDVitCd ( 5:1:1)
BCDVit
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
ppm (t1)
1
Figura 29 - Espectros de RMN H dos complexos ternário com cádmio, na proporção 10:1:1 (acima) e
proporção 5:1:1 (meio) com a BCD:VD3 (abaixo)
61
Observando os dados da Tabela 11, os complexos ΒCD:VD3:Ni(II) (5:1:1) e
ΒCD:VD3:Ni(II) (10:1:1) apresentaram o mesmo comportamento em relação as
variações de deslocamentos químicos. A comparação dos deslocamentos dos
complexos ternários com ΒCD:VD3, indica a formação do complexo ternário de Ni(II).
Adicionalmente, observou-se que o Δδ de C4 e C6 (-0,61 e -0,44 ppm
respectivamente), dos compostos ternários de Ni(II) foram razoavelmente diferentes
aos outros átomos de carbono do composto binário com VD 3 indicando que há
mudança conformacional na estrutura. No espectro de RMN 1H (Figura 30) dos
complexos ternários de níquel nota-se a semelhança entre as proporções, com
exceção do complexo ΒCD:VD3:Ni(II) (5:1:1), na qual aparece um pico referente ao
H10 da VD3. Como todos os sinais das hidroxilas da BCD aparecem suprimidas e os
deslocamentos químicos dos H estão semelhantes, não há como pressupor uma
estrutura para este complexo ternário. Os espectros de RMN
13
C desses complexos
estão no item APENDICE.
BCDVitNi ( 5:1:1)
BCDVitNi ( 10:1:1)
BCDVit
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
ppm (t1)
Figura 30 - Espectros de RMN 1H dos complexos ternário com níquel, na proporção 5:1:1 (acima) e
proporção 10:1:1 (meio) com a BCD:VD3 (abaixo)
Já era esperado um deslocamento uniforme nos compostos de inclusão, uma
vez que ao entrar na cavidade da ΒCD a vitamina altera conformacionalmente toda a
estrutura. Os deslocamentos químicos dos complexos binários com cádmio e níquel
mostraram uma diferença em apenas alguns átomos de carbono, isso se deve ao
62
fato do íon metálico não entrar na cavidade da ΒCD, se ligando, provavelmente na
parte externa. Ao se comparar os deslocamentos químicos dos complexos ternários
com a ΒCD:VD3 nota-se que existe um aumento significativo do deslocamento
químico em C4 e C6, comprovando que houve uma inclusão na cavidade da ΒCD. Os
deslocamentos dos átomos de hidrogênio para o complexo ΒCD:VD3:Cd(II) sugere
prováveis sítios de ligação, auxiliando a comprovar a estrutura ternária. Mesmo
assim, existe a necessidade de uma técnica mais completa, como HSQC, para
sugerir a estrutura do ΒCD:VD3:Ni(II).
Na Figura 31 é demonstrada a proposta de estrutura dos complexos ternários
de BCD coma VD3 e os íons metálicos Cd (II) e Ni (II), levando em consideração os
dados obtidos até o momento nos quais indicam a inclusão da VD3 na cavidade da
BCD e os íons metálicos ligados ao oxigênio ligado ao C 6 da BCD. A geometria dos
complexos ternários, devido ao grande grau de liberdade que há para a
coordenação dos metais analisadas nesses complexos, foram coordenados de
maneira arbitraria, e suas geometrias moleculares não foram otimizadas até o
termino do trabalho, sendo os resultados apresentados destes meramente
ilustrativos.
Figura 31 - Proposta de estrutura dos complexos ternários.
63
6
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Este trabalho objetivou a síntese de complexos ternários de ΒCD com VD 3 e
íons metálicos, os quais têm como principais aplicações as áreas farmacêutica e
biomédica. Para atestar a formação de tais complexos, foram utilizadas
metodologias e técnicas relatadas na literatura.
Pela técnica de RMN
13
C e 1H foi possível detectar a formação do composto
binário BCD:VD3 e dos complexos BCD:Cd(II) e BCD:Ni(II) nas duas diferentes
proporções. A comparação entre os deslocamentos químicos dos complexos
ternários e binários foi conclusiva ao comprovar que existe a formação dos
complexos ternários BCD:VD3:Cd(II) e BCD:VD3:Ni(II), em ambas proporções.
Por meio dos resultados obtidos pela técnica do DRX, foi detectada a presença
de um material amorfo no espectro do composto binário ΒCD:VD3 caracterizando a
inclusão da VD3 na ΒCD. Em relação aos complexos binários e ternários, observouse que as cristalinidades foram similares à da ΒCD, indicando que ocorreu a
formação de estruturas gaiolas, geralmente formadas pela inclusão de um hóspede
pequeno. O estudo feito pelo IVTF auxiliou a confirmar a formação desses
complexos.
Os diagramas de especiação obtidos por meio da titulação potenciométrica
mostram que houve a formação do composto binário ΒCD:VD 3. Contudo, devido ao
pouco ajuste ao método por conta da solubilidade da BCD em H 2O, será necessário
ajustar a metodologia para caracterizar os complexos binários e ternários em outro
solvente.
64
7
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71
APÊNDICE
BCD:Cd ( II) ( 5:1)
BCD:Cd( II) ( 10:1)
BCD
100
90
80
70
60
ppm (t1)
Figura 1- RMN De
13
C da ΒCD E ΒCD:Cd (II) nas proporções 5:1 e 10:1, em ppm.
BCD:Ni( II) ( 5:1)
BCD:Ni ( II) ( 10:1)
BCD
100
90
80
70
ppm (t1)
Figura 2 - RMN de
13
C Da ΒCD E ΒCD:Ni (II) nas proporções 5:1 e 10:1, em ppm.
60
72
BCD
BCD:Vit
BCD:Vit:Cd( II) ( 5:1:1)
BCD:Vit:Cd( II) ( 10:1:1) 100
90
80
70
60
ppm (t1)
Figura 3 - RMN de
13
C da ΒCD e ΒCD:VD3, e do composto ternário ΒCD:VD3:Cd(II) nas
proporções 5:1:1 e 10:1:1, ppm.
BCD
BCD:VIT
BCD:Vit:Ni( II) ( 10:1:1)
BCD:Vit:Ni( II) ( 5:1:1)
100
90
80
70
60
ppm (t1)
Figura 4 - RMN de
13
C da ΒCD e ΒCD:VD3, e do composto ternário ΒCD:VD 3:Cd(II) nas
proporções 5:1:1 e 10:1:1, ppm.
Figura 5 - Espectro de RMN de 13C: (a) BCD; (b) MF; (c) BCD:VD3; (d) VD3 retirada do artigo de MERCE et al.
73
74
ANEXO
O Hyperquad 2000 é apropriado para o trabalho em computadores com
o sistema operacional Windows xp ou em outras versões de windows menos
avançadas, não sendo adequado para o W indows vista ou outros sistemas
mais sofisticados.
É um programa computacional empregado no cálculo das constantes
de
estabilidade dos modelos fornecidos, podendo ser aproveitado para
quaisquer
reagentes fornecendo um grande número de constantes e
podendo-se usar diferentes tipos de dados, como pH, f.e.m. E absorvância.
Em comparação aos demais programas de cálculos de constante de
estabilidade existentes, este programa possui a facilidade de em apenas
um pacote realizar quase todos os processos por meio dos dados de
equilíbrio em solução que eram feitos manualmente outrora, sendo sua
maior distinção, o fato de juntamente com os dados potenciométricos
poderem ser incluídos os dados espectrométricos.
O programa realiza o refinamento estatístico de constantes a partir
de um sistema proposto com espécies que se julga existir, calculando-se o
balanço de massa, visto que o balanço de carga não é levado em
consideração para simplificação dos cálculos, gerando-se assim valores de
constantes com desvios padrões aceitáveis para as espécies fornecidas no
sistema proposto. No modelo pode-se ignorar ou supor constantes o valor de
determinadas espécies, almejando-se um sistema que represente da melhor
forma possível o equilíbrio químico estabelecido.
Inicialmente, fornece-se ao sistema proposto a quantidade total do
volume de solução, os valores de ph obtidos a cada incremento de base, a
concentração
inicial de todos os reagentes, a temperatura e os erros
pertinentes ao método.
Na titulação potenciométrica usou-se um eletrodo de vidro combinado
para as medições de pH, estudando-se o equilíbrio existente entre o íon
metálico, o ligante e as espécies complexadas formadas, estas formam-se
quando os íons H+ presentes nos ligantes são retirados pelos íons OH-,
75
permitindo que estes sítios de coordenação fiquem “livres” para a formação de
complexo com os íons metálicos.
Para o ligante, as constantes estequiométricas de formação global
calculadas correspondem à equação que se segue:
Porém, a determinação das constantes de dissociação parcial do ligante
hnl é necessária para o cálculo das prováveis espécies presentes no sistema,
sendo os equilíbrios químicos envolvidos, supondo-se um ligante h3l:
As constantes de formação (log β) podem ser associadas aos pka do
ligante representando os valores de ph onde são encontradas as espécies
protonadas e dissociadas:
Pk1 = log β3 – log β2
log β1 = pk3
Pk2 = log β2 – log β1
log β2 = pk2 + pk3
Pk3 = log β1
log β3 = pk1 + pk2 + pk3
Nos cálculos das constantes de formação dos complexos, além das
prováveis
espécies
existentes,
reputam-se
nos
cálculos
as
espécies
hidrolisadas do íon metálico, as espécies dos equilíbrios do ligante e da
ionização água, que no estudo em questão foi de -13,76.
Para os complexos, as constantes estequiométricas usadas e calculadas
correspondem às equações que se seguem:
76
Para a formação de espécies polinucleares, as constantes de formação
global são usadas:
Os quais:
M = íon metálico
L = ligantes
H+ = próton
OH- = hidroxila
77
O hyss 2006 é relatado, em comparação a outros programas para
especiação, como um dos mais simples, em especial, devido sua interface com o
sistema operacional windows em computadores pessoais, possuindo inclusive
dispositivo gratuito para download em internet. Tem ainda a vantagem de poder
ser usado em diferentes tipos de sistemas, já que não há limites para número de
reagentes e complexos formados.
É utilizado para a validação das curvas de titulação da seguinte forma: as
constantes encontradas a partir dos cálculos do hyperquad 2000 são lançadas
neste programa juntamente aos dados sobre o experimento, como volume final e
concentrações das soluções usadas. Desta maneira, o programa fornece uma curva
teórica experimental para o sistema fornecido, a partir dos pontos de titulação
obtidos, plota-se assim um gráfico comparativo, entre a curva de titulação obtida
experimentalmente e à teórica.
O hyss 2006 serve também para fornecer as curvas de distribuição de
espécies em função do pH, permitindo uma melhor análise do sistema na faixa de
ph em interesse.
Referências:
Alderighi, l. Et al. Hyperquad simulation and speciation (hyss): a utility program for
the
investigation
of
equilibria
involving
soluble
and
partially
soluble
species, coordination chemistry reviews,184, 311-318, 1999.
Puc-rio. Capítulo 5: programas computacionais. Disponível em: http://www2.dbd.pucrio.br/pergamum/tesesabertas/0710743_2011_cap_5.pdf. Acesso dia 05/05/2014.